本发明涉及电力系统高压输电线除冰领域，具体涉及一种基于多传感器的全天时激光手动除冰方法。
背景技术：
在冬季严寒雨雪天气，输电线路、塔架容易覆冰覆雪，严重时可引起线缆断裂、塔架倒塌等，导致周围人畜伤亡、输电线路损坏，损失极大。架空输电线路具有点多面广、跨度大、线路长的特点，输电线路的除冰十分困难。
现有的清除高压输电线路覆冰覆雪的手段主要有机械除冰、热力熔冰、自然除冰(也称被动除冰)、混合方式四类。机械除冰是一种接触式除冰操作，安全性能差，需要线路断电进行除冰，且易受地形限制等。自然脱冰无需附加能量，但适用性与可控性较差。热力熔冰以加热措施使覆冰熔化或脱落，使用最为广泛。激光除冰技术作为一种热力熔冰方式，通过激光加热使高压电缆的温度高于零度无法凝结成冰，或者直接熔冰，具有功率强、非接触操作、可移动等优点。但是当前的激光除冰技术装置需要全程人为操作控制，通过人来观察覆冰情况控制除冰操作，反馈实时性差，工作效率低，除冰效果差，并且还存在一定危险性。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于多传感器的全天时激光手动除冰方法，通过人工选择切割路径和速度，完成清除架空输电线路上除冰的任务，具有灵活度高、机动性强、控制精度高、切割效率高的特点。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于多传感器的全天时激光手动除冰方法，该方法基于激光除冰装置实现，所述激光除冰装置包括转台、激光部件、底座、电源系统、输入装置、显示屏、控制系统和视觉传感器模块；所述转台包括方位部件和俯仰部件，所述方位部件安装在所述底座上方，所述俯仰部件安装在方位部件上方，所述激光部件和视觉传感器模块安装在俯仰部件的联接部件上；
所述控制系统包括工控机和控制驱动部件，所述工控机与视觉传感器模块连接，用于控制视觉传感器模块调整参数，并对视觉传感器模块采集的图像进行识别，将识别结果传输给控制驱动部件；所述控制驱动部件和方位部件、俯仰部件相连，用于控制转台进行方位和俯仰两自由度的转动，进而带动激光部件和视觉传感器模块转动；
所述视觉传感器模块包括可见光摄像机和红外热成像仪，所述视觉传感器模块与工控机连接，用于根据工控机的指令调整视觉传感器参数，根据时间切换可见光摄像机和红外热成像仪进行图像采集，并将采集的图像传输给工控机；
所述全天时激光手动除冰方法包括以下步骤：
步骤1，视觉传感器模块采集当前图像信息，传送给控制系统，并在显示器上显示；
步骤2，当图像中存在覆冰时，将采集的图像进行放大；
步骤3，控制系统接收到操作指令，对采集到的图像中框定区域进行图像识别，得到图像坐标，即覆冰与线缆的接触位置；
步骤4，控制系统将覆冰接触位置的图像坐标进行解算，得到角度坐标，再根据坐标系的转换关系得到转台坐标，发送指令给转台，使其转动，跟踪覆冰接触点；
步骤5，根据输入装置的信息，进入切割模式；
步骤6，控制系统根据接收的切割方向、切割速度指令，计算出相应的转台指令；
步骤7，激光部件发送激光，控制系统将步骤6中计算得到的转台指令发送给转台，控制转台带动激光部件转动；
步骤8，如果需要继续切除，重复步骤1～步骤7。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)灵活度高，捷联式结构使设备更轻便，能适应不同地形；(2)控制精度高，通过视觉伺服进行控制，提高了操作精度；(3)切割效率高，人工规划切割路径和速度，能够在最合适的点对覆冰进行切割；(4)控制方便、机动性强，工作人员可以直接在操作界面上选择切割方向和切割速度，并在切割过程中可以随时停止，或调整速度和方向；(5)本发明适用性强，在白天或者晚上都可以准确获取覆冰图像，有利于执行除冰操作。
附图说明
图1是激光除冰装置的总装结构示意图。
图2为本发明基于多传感器的全天时激光手动除冰方法流程图。
图3是采集到的完整图像灰度化的结果图。
图4是图像信息在相机平面的坐标系中分别进行x轴和y轴的投影示意图。
图5(a)是图像平面坐标系关于Y轴投影∑Ai,j曲线图，图5(b)是图像平面坐标系关于X轴投影∑Ai,j曲线图。
图6是针孔摄像机模型图。
图7是本发明激光除冰装置的俯仰部件和方位部件结构示意图。
图8是本发明激光除冰装置的方位部件剖面图和俯视图。
图9是本发明激光除冰装置的俯仰部件俯视图。
图10是本发明激光除冰装置的控制系统工作示意图。
图11为本发明四种模式方法流程图。
图12是激光除冰装置的应用示意图。
附图标识：1为转台，2为激光部件，3为底座，4为视觉传感器模块，5为方位部件，6为俯仰部件，7为方位力矩电机，8为方位角度测量装置，9为轴承座一，10为轴承座二，11为俯仰力矩电机，12为俯仰角度测量装置，13为联接部件，14为方位限位锁零部件，15为方位底座，16为方位支架，17为激光发射头，18为俯仰限位锁零部件，19为激光蓄电池，20为直流电源，21激光控制箱，22为工控机，23为显示器，24为输入装置。
具体实施方式
一种基于多传感器的全天时激光手动除冰方法，该方法基于激光除冰装置实现，如图1所示，所述激光除冰装置包括转台1、激光部件2、底座3、电源系统、输入装置、显示屏、控制系统和视觉传感器模块4；所述转台1包括方位部件5和俯仰部件6，所述方位部件5安装在所述底座3上方，所述俯仰部件6安装在方位部件5上方，所述激光部件2和视觉传感器模块4安装俯仰部件6的联接部件13上；
所述控制系统包括工控机22和控制驱动部件，所述工控机22与视觉传感器模块4连接，用于控制视觉传感器模块4调整参数，并对视觉传感器模块4采集的图像进行识别，将识别结果传输给控制驱动部件；所述控制驱动部件和方位部件5、俯仰部件6相连，用于控制转台进行方位和俯仰两自由度的转动，进而带动激光部件2和视觉传感器模块4转动；
所述视觉传感器模块4包括可见光摄像机和红外热成像仪，所述视觉传感器模块4与工控机22连接，用于根据工控机22的指令调整视觉传感器参数，根据时间切换可见光摄像机和红外热成像仪进行图像采集，并将采集的图像传输给工控机22。
可见光指电磁波中人眼可以辨别的部分，在光线明亮的环境中，可见光摄像机能滤掉多余的杂光干扰，获得良好的图像效果。红外线是波长介于微波与可见光之间的电磁波，是一种人眼看不到的光线，自然界的所有物体几乎都可以发出红外线。热像仪的核心是一种能够探测极微小温差的传感器，将温差转换成实时视频图像显示出来。任何有温度的物体都会发出红外线，热像仪就是接收物体发出的红外线，通过有颜色的图片来显示被测量物表面的温度分布，根据温度的微小差异来找出温度的异常点。当除冰装置工作在无可见光或微光的黑暗环境下时，可见光摄像机无法工作，此时可采用红外热成像仪获取线路图像信息进而得知覆冰情况。据此，本发明提出一种基于多传感器的激光除冰装置，白天通过可见光摄像机采集图像，晚上通过红外热成像仪采集图像，针对冰雪覆盖线缆的特征，能切实地提高激光除冰装置作业过程中对目标的识别率，在目标晃动时也能准确跟踪，使激光能够瞄准冰块，提高了激光作业效率。其中白天和晚上具体根据地点和季节设定。
所述手动除冰是指由工作人员在操作界面上选择“上”、“下”、“左”、“右”控制电机的转动方向，通过改变电机速度滑动条的大小，改变切割的速度。如图2所示，所述全天时激光手动除冰方法包括以下步骤：
步骤1，视觉传感器模块采集当前图像信息，传送给控制系统，并在显示器上显示；
步骤2，当图像中存在覆冰时，将采集的图像进行放大；
步骤3，控制系统接收到操作指令，对采集到的图像中框定区域进行图像识别，得到图像坐标，即覆冰与线缆的接触位置；
步骤4，控制系统将覆冰接触位置的图像坐标进行解算，得到角度坐标，再根据坐标系的转换关系得到转台坐标，发送指令给转台，使其转动，跟踪覆冰接触点；
步骤5，根据输入装置的信息，进入切割模式；
步骤6，控制系统根据接收的切割方向、切割速度指令，计算出相应的转台指令；
步骤7，激光部件发送激光，控制系统将步骤6中计算得到的转台指令发送给转台，控制转台带动激光部件转动；
步骤8，如果需要继续切除，重复步骤1～步骤7。
进一步的，所述切割方向指令是指通过界面上的上下左右来控制的操作人员规划的方向。
进一步的，步骤3中除冰目标识别方法包括以下步骤：
控制系统接收到输入装置传入的跟踪指令后，进行图像识别；通过图像识别得到结冰线缆直径在相机平面中投影的宽度d和结冰线缆在图像平面的y轴坐标；具体为：
步骤31，控制系统将视觉传感器模块捕捉到的像素值为n*m的图像灰度化；
步骤32，将图像转化成byte数组的形式，得到一个n*m的图像矩阵，其中每一个元素Aij对应该像素点的灰度值：
步骤33，获取图像中指定区域的图像信息，转换为图像识别矩阵，进行投影处理，对于图像识别矩阵中每一行、每一列求∑Ai,j；
如图3所示，假设矩形框内为指定识别的区域，用6*12的矩阵来举例说明。矩形框内对应的灰度值保存在矩阵中对应的位置。
将其提取出来，转换为图像识别矩阵：
将矩阵(1)表示的图像信息在相机平面的坐标系中分别进行x轴和y轴的投影，如图4所示。
即对于矩阵(1)中每一行、每一列求∑Ai,j。对结果做曲线图，可以得到在y轴和x轴上的投影如图5(a)和图5(b)所示。
步骤34，通过分析投影得到的曲线，得到y轴波谷值对应图像坐标，即线缆的y坐标y0～y1；
步骤35，求出y轴上波谷的像素宽，得到覆冰线缆直径在相机平面中投影的宽度d。
进一步的，步骤4具体为：
步骤41，根据焦距f求出覆冰距离设备的真实距离
步骤42，根据Zc解算出激光点在图像平面中的坐标作为目标坐标(x0,y0)和结冰线缆真实直径D；具体为：
步骤421，根据光路与相机成像轴心绝对平行，可知激光点在相机轴心对应点的相对固定位置处，此相对位置已知；现实坐标系中，设相机轴心对应点的坐标为(ac,bc)，则激光点位置为(ac+dx,bc+dy)，dx和dy分别为相同距离下，激光点与相机轴心对应点在现实坐标系下的固定位置差；
步骤422，相机成像轴心对应的点在成像过程中，不论离相机的距离是多少，其在相机平面中的坐标始终不变，为(xc,yc)；设激光点在相机平面中的坐标为(x0,y0)，(x0,y0)＝(xc+dx’,yc+dy’)，dx’和dy’为激光点与相机轴心对应点在相机平面坐标系下的坐标差；则：
解得(x0,y0)；
步骤423，如图6所示，根据摄像机的针孔模型，光线从场景或远处的物体发射过来，经过物体X表面，穿过透镜中心，在透镜后方距离f处的成像平面内形成倒立的物像x，与物体成倒立相似关系；因此，与远处物体相关的图像大小只用一个摄像机参数来描述：焦距f；
根据三角形相似原理可以得出：
即控制系统通过该公式求得结冰线缆真实直径D。
步骤43，图像平面坐标系到角度坐标系的坐标解算；控制系统根据距离Zc下相机平面坐标系中像素点和角度坐标系的对应关系得到激光点的角度坐标(θx0,θy0)和结冰线缆y轴的角度坐标θy1；具体为：
解算激光点相对角度坐标(θx0,θy0)：
解算结冰线缆y轴相对角度坐标θy1：
y1-yc＝Zc*tanθy1。
步骤44，根据激光点和覆冰线缆的y轴角度坐标作差得到Δθy，根据步骤四的D，工控机选择合适的Δθx来调整装置水平切割速度，得到转台应转动的角度Δθ＝(Δθx,Δθy)，，工控机发送命令给转台，使激光点和切割点重合。
进一步的，如图7、图8所示，所述方位部件5包括方位力矩电机7、方位角度测量装置8、方位限位锁零部件18、方位限位锁零部件14、方位底座15和方位支架16；所述方位底座15与底座3连接，方位支架16和俯仰部件6连接；所述方位角度测量装置8置于底座3内部，用于将实际方位转动的角度通过电信号发送给控制驱动部件；所述方位力矩电机7位于方位角度测量装置8上方，实现车载激光除冰装置在方位上的转动；所述方位限位锁零部件14位于方位支架16边缘，与方位底座15连接，通过控制驱动部件的命令使其落入方位底座15一个圆孔中时，锁定方位，固定方位支架16；所述方位支架16位于整个方位部件5的正上方，用于连接俯仰部件6，带动其在方位上转动；
如图7、9所示，所述俯仰部件6包括轴承座一9、轴承座二10、俯仰力矩电机11、联接部件13、俯仰角度测量装置12和俯仰限位锁零部件18；所述轴承座一9和轴承座二10与方位部件5连接，跟随方位部件5转动；所述俯仰力矩电机11位于所述轴承座一9中，用于驱动联接部件13的俯仰旋转；所述联接部件13横架在俯仰力矩电机11和俯仰角度测量装置12中间，作为传动结构，并与所述视觉传感器模块4和激光部件2相连，带动它们一起转动；所述俯仰角度测量装置12置于轴承座二10中，通过与联接部件13转动得到实际俯仰转动的角度，通过电信号发送给控制驱动部件；所述俯仰限位锁零部件18安装在所述轴承座二10内侧的联接部件13末端，通过控制驱动部件的命令将锁柱送入轴承座二10一个圆孔中，通过固定联接部件13来机械限定俯仰力矩电机11的俯仰角度；
所述视觉传感器模块4安装在俯仰部件6的联接部件13上，跟随其一起转动，包括可见光摄像机和红外热成像仪，根据时间切换可见光摄像机和红外热成像仪进行图像采集，如南京夏令时节，将6点-18点定义为白天，将18点-6点定义为晚上，白天通过可见光摄像机采集图像，晚上通过红外热成像仪采集图像。
所述可见光摄像机包括光学镜头和图像传感器，所述光学镜头包括光学镜片和机械机构，光学镜片的材料为光学玻璃、光学树脂或光学陶瓷材料，在镜片表面镀有光学薄膜，为减轻光学镜头的结构重量，其结构材料采用轻质材料，所述图像传感器能把光信号转换成电信号，用于具体成像，所述可见光摄像机在白天实时采集线缆与覆冰图像，通过以太网传输给工控机22。所述红外热成像仪在晚上实时捕获线缆与覆冰图像，通过以太网传送给工控机22。
所述底座3位于装置的最底部，给整个装置提供支撑。
所述激光部件2包括激光发射头17和激光控制箱21；所述激光发射头17通过光纤与所述激光控制箱21连接，与视觉传感器模块4跟随联接部件13转动；
所述视觉传感器模块4通过以太网与控制系统通信；
所述电源系统包括激光蓄电池19和直流电源20；所述直流电源20用于给整个电机负载、输入输出装置及视觉传感器模块4供电，所述激光蓄电池19用于给所述激光部件2中激光控制箱21供电；
所述显示器23通过HDMI接口接收工控机22信号，显示控制系统控制界面；所述输入装置24用于输入操作信息，发送给工控机22。
如图10所示，所述工控机22通过以太网串口发送命令给视觉传感器模块4，实现图像参数改变；所述工控机22通过以太网连接视觉传感器模块4，实现图像获取和识别、定位线路和覆冰，得到覆冰的位置、形态信息反馈给控制驱动部件；所述工控机22通过RS422串口与所述控制驱动部件连接，实现转台1转动切割；所述工控机22与所述输入输出装置连接实现人机交互；所述控制驱动部件位于底座3中，通过方位角度测量装置8、俯仰角度测量装置12分别接收方位部件5和俯仰部件6的角度信息，并通过RS422串口传给工控机22，同时接收工控机22信息控制方位部件5和俯仰部件6，进行两自由度运动。
本发明在进行激光切割时，采用基于路径规划的激光除冰方法，针对不同情况设置除冰路径和模式，提高了作业效率，如图11所示，具体步骤如下：
步骤1、根据工作距离选择激光器。选择的激光器应为固体激光器，激光峰值功率应不少于7MW，激光单脉冲能量不少于60MJ，脉冲宽度为1064nm，光斑直径不超过1cm。
步骤2、根据覆冰情况确定除冰模式，共四种模式：
模式一：当覆冰下层有冰凌时，调转激光瞄准冰凌与线缆结点中心位置，利用热应力效应进行除冰。首先设置初始激光功率，然后调转激光瞄准冰凌与线缆结点中心位置，按照初始激光功率发射激光，利用热应力效应进行除冰，直至除冰完成。
模式二：当覆冰下层无冰凌且覆冰厚度少于1.5cm时，调转激光沿线缆轴心线做重复平移扫描，利用热熔化效应进行除冰。首先设置初始激光功率、激光扫描范围、扫描速度、扫描周期和功率增量，然后调转激光，按照初始激光功率、激光扫描范围、扫描速度沿线缆轴心线做重复平移扫描，利用热熔化效应进行除冰，一个周期完成后，增加功率，其他不变，继续做重复平移扫描，即按照现在的激光功率和激光扫描范围、扫描速度沿线缆轴心线做重复平移扫描，直至激光器功率增加到上限后，维持上限功率不变直至除冰完成。
模式三：当覆冰下层无冰凌且覆冰厚度在1.5cm～3cm时，依次调转激光沿上层/下层覆冰的轴心线做重复平移扫描，利用热熔化效应进行除冰。首先设置初始激光功率、激光扫描范围、扫描速度、扫描周期和功率增量，一个周期内依次调转激光沿上层/下层覆冰的轴心线，按照初始激光功率、激光扫描范围、扫描速度重复平移扫描，利用热熔化效应进行除冰，一个周期完成后，增加功率，继续上层/下层重复平移扫描，直至激光器功率增加到上限后，维持上限功率不变直至除冰完成。
模式四：当覆冰下层无冰凌且覆冰厚度大于3cm时，首先调转激光沿线缆轴心线做重复平移扫描，利用热熔化效应进行熔冰，之后调转激光沿缆轴心线位置做波浪线扫描，应用热应力进行下层覆冰的清除，重复上述热融化和热应力除冰过程，直至下层覆冰掉落；最后沿上层覆冰的轴心线做重复平移扫描，利用热熔化效应进行上层覆冰清除。具体为:首先设置激光扫描范围、热融化初始激光功率、热应力初始激光功率、热熔化扫描速度、热应力扫描速度、热融化最高功率扫描时间和热融化功率增量，然后调转激光按照热融化初始激光功率、热熔化扫描速度、激光扫描范围沿线缆轴心线做重复平移扫描，利用热熔化效应使线缆轴心线位置的覆冰厚度减小，一个周期完成后，增加功率，继续重复平移扫描，直至激光器功率增加到上限后，维持上限功率不变扫描一段时间；接着调转激光至缆轴心线位置，按照热应力初始激光功率、激光扫描范围、热应力扫描速度(作为一种具体实施方式，该数值为3倍热熔化扫描速度)，做波浪线扫描(作为一种具体实施方式，做锯齿形或正弦波形扫描)，依次重复上述热融化和热应力过程，直至下层覆冰掉落；最后进行上层覆冰清除，按照热融化初始激光功率、激光扫描范围、热熔化扫描速度沿上层覆冰的轴心线做重复平移扫描，利用热熔化效应进行除冰，一个周期完成后，增加功率，继续重复平移扫描，直至激光器功率增加到上限后，维持上限功率不变直至上层覆冰清除完成。
作为一种具体实施方式，利用热应力效应除冰时，初始功率设置为激光器的功率上限。利用热融化效应除冰时，初始功率设置为激光器功率上限的30％；并且功率增量、扫描次数、扫描速度与工作距离的关系为：
功率增量为：其中Pmax为峰值上限功率，l为工作距离；
扫描次数为：其中l为工作距离，n取整数；
扫描速度为：其中l为工作距离，v的单位为°/s。
为了说明本发明除冰效果，选择工作距离为100m的场地进行除冰实验。此时选择DPSS纳秒激光器，其峰值功率可达到7MW，激光单脉冲能量可达到60MJ，脉冲宽度为1064nm，光斑直径3mm。
进行激光除冰时，根据覆冰情况选择模式：
模式一：当图像识别出覆冰下层有冰凌时，可利用热应力效应加重力作用辅助除冰，初始激光功率调节到100％，调转激光瞄准冰凌与线缆结点中心位置，进行瞬时加热，使冰块产生很大的局部温度梯度，激光工作期间进行实时图像识别，直到图像识别出冰凌在重力作用下自行脱落或接收到其他操作指令为止；
模式二：当图像识别出覆冰下层厚度少于1.5cm时，可利用热熔化效应除冰，调转激光沿线缆轴心线方向采用重复平移扫描方式，转台以0.0003°/s的速度带动激光进行扫描，利用激光热效应熔冰，扫描范围为图像最大倍数放大下视野宽度的1/4，激光功率从30％开始调节，每扫描5遍激光功率增加20％，按照初始激光扫描范围、扫描速度沿线缆轴心线做重复平移扫描，达到100％后功率维持不变，期间进行实时图像识别，直到图像识别出该处覆冰清除完成时停止，或接收到其他操作指令为止；
模式三：当图像识别出覆冰下层无冰凌且厚度为1.5～3cm时，可利用热熔化效应除冰，以线缆轴心线为分界线分为上层和下层，调转激光在覆冰在线缆的上层和下层覆冰的轴心线，转台以0.0003°/s的速度带动激光进行扫描，利用激光热效应熔冰，重复上下层的平移扫描运动，激光功率从30％开始调节，上下层每扫描5遍激光功率增加20％，达到100％后功率维持不变，期间实时进行图像识别，直到图像识别出该处覆冰清除完成时停止，或接收到其他操作指令为止；
模式四：当图像识别出覆冰下层无冰凌且厚度为3cm以上时，此时覆冰较为厚重，可进行热熔化与热应力操作。先调转激光沿线缆轴心线利用热熔化效应除冰，转台以0.0003°/s的速度带动激光进行扫描，扫描范围为图像最大倍数放大下视野宽度的1/4，激光功率从30％开始调节，每扫描5遍激光功率增加20％，激光扫描范围、热融化扫描速度不变沿线缆轴心线做重复平移扫描，激光器功率增加到上限后，维持上限功率不变扫描一段时间；之后暂停激光至冷却后，重新瞄准，使激光沿线缆轴心线位置，将激光功率调节到100％利用热应力进行除冰，初始激光扫描范围不变，转台以0.0009°/s的速度带动激光完成一个周期的波浪线扫描，依此重复重复热应力和热融化除冰操作，直至下层覆冰掉落；然后，针对覆冰上层做热熔化除冰，激光扫描范围不变，转台以0.0003°/s的速度带动激光进行扫描，设置初始激光功率为30％，每扫描5遍激光功率增加20％，达到100％后功率维持不变重复平移扫描，期间实时进行图像识别，直到图像识别出上层覆冰清除完成时停止，或接收到其他操作指令为止。
实验证明，本发明方法综合热熔化和热应力两种原理进行除冰，能耗小，效率高；此外本发明方法操作简单，易于实现自动化，装置能够根据视觉反馈的目标信息进行分析与判断，执行相应的路径规划等除冰措施，无需过多人为操作，降低了作业人员的劳动强度和失误概率，安全性高，除冰效果好。
图12为本发明的一种应用方式，激光除冰装置25设置在车体26上。
综上所述，本发明具有安全性强、灵活度高、可带电作业、适应性强、控制精度高、切割效率高、控制方便、机动性强等特点。首先，本发明可以远程“地对空”进行作业，过程安全，取代了传统人工攀爬带电作业方式；其次，本发明体型轻便，无需过多操作人员，可精准切割；可带电作业，减少断电带来的经济损失；控制精度高，通过视觉伺服进行控制，提高了操作精度；最后切割效率高，人工规划切割路径和速度，能够在最合适的点对覆冰进行切割；控制方便，采用图像识别可以实现激光自动跟踪，采用高清工业相机实现覆冰位置信息的获取。
工作人员可以直接在操作界面上选择切割方向和切割速度，并在切割过程中可以随时停止，或调整速度和方向。